Полимерные строительные материалы и изделия. Учебное пособие

5.3. Разновидности наполнителей

Основные промышленные виды волокон – стеклянные и углеродные. Они впускаются, главным образом, круглого сечения диаметром 1–20 мкм. Для отдельных случаев могут применять волокно треугольного, ромбического, квадратного, эллипсоидного и других сечений.

Использование армирующих волокон в виде жгутов, ровинга, тканей, лент, шнуров и войлока (матов) позволяет многократно ускорить и усовершенствовать технологический процесс производства высокопрочных изделий.

Жгуты и ровинги применяются для изготовления тканей, лент, однонаправленных пластиков, профильных и намоточных изделий.

Войлок (маты) состоит из хаотически расположенных жгутов. Механическую гибкость войлоку придает поперечная прошивка. Такой войлок называется матом. Маты лучше пропитываются смолами, применяются для производства многопрофильных изделий.

Ленты состоят из ориентированных в одном направлении волокон, нитей, шнуров, объединенных редкими поперечными нитями. Как правило, ленты изготавливают из жестких высокопрочных и высокомодульных волокон и применяют их для производства изделий методом намотки.

Ткани различают по характеру плетения, толщине, типу и диаметру нитей, их плотности по утку и основе. От схемы плетения ткани зависит прочность материала в продольном и поперечном направлении, а также его гибкость. Чаще других применяются полотняное, сатиновое и саржевое плетение тканей из непрерывных волокон (рис. 5.1). В ткани полотняного плетения и уток, и основа переплетаются через одну нить, в продольном и поперечном направлении они являются равнопрочными (рис. 5.1, а), в саржевом плетении уток и основа переплетаются через 2 или 3 нити (рис. 5.1, в, г), сатиновое плетение имеет от 4 до 8 нитей основы (рис. 5.1, б).

31

Рис. 5.1. Виды переплетения тканей:

а – полотняное; б – сатиновое; в и г – саржевое

Волокна из неорганических материалов весьма чувствительны к изгибным деформациям, поэтому для уменьшения их повреждения в процессе текстильной переработки используют различные аппреты, наносимые на поверхность волокон, например парафиновую эмульсию.

5.4. Типы структур армирования

Под типом структур армирования понимается расположение усиливающего наполнителя в материале, отражающее в определенной степени его морфологию. Различают армирование однонаправленное (рис. 5.2, а), образованное наполнителем в виде волокон, прядей, нитей, жгутов, ориентированных относительно одной из пространственных осей.

Армирование в двух направлениях, или плоскостное (рис. 5.2, б), достигается укладкой тканых видов наполнителя, а также однонаправленных (рис. 5.2, а) с послойным изменением направления укладки на перпендикулярное.

Структура армирования в трех направлениях достигается либо созданием каркасной или сотовой конструкции наполнителя (рис. 5.2 в), либо использованием волокнистых наполнителей войлочной морфологии (рис. 5.2, г). Возможны и комбинированные структуры, совмещающие особенности схем (рис. 5.2, а и г).

32

Рис. 5.2. Схемы структур армирования:

а– однонаправленное; б – в двух направлениях; в – в трех направлениях;

г– взаимно непрерывное в трех направлениях

Армирование в двух направлениях является, пожалуй, наиболее распространенным. Так получают различные листовые слоистые пластики – текстолиты, гетинаксы, намоточные изделия и др. Технология слоистых пластиков применяется и для получения гибридных изделий – фольгированного текстолита, стекло- и углепластиковых труб, металло-, угле- и стеклопластиковых оболочек.

5.5. Основные особенности технологии

Особенности технологии определяются тем, что в большинстве случаев, за исключением производства листовых материалов, получение армированного пластика технологически совпадает с производством изделий из него. Из полуфабриката в виде наполнителя, пропитанного не отверждённым связующим тем или иным методом, получают заготовку изделия, которая затем в результате химической реакции отверждения или в результате затвердевания при охлаждении приобретает свойства высокопрочного армированного пластика. Качество пропитки наполнителя связующим в решающей мере определяет свойства получаемого материала и изделия.

33

Различают два основных метода пропитки, условно называемые

«мокрым» и «сухим».

«Мокрый» метод включает пропитку волокна жидким олигомером или полимером непосредственно перед оформлением заготовки изделия. Стоимость производства продукции по «мокрой» технологии примерно втрое ниже, чем при «сухой». Кроме того, обеспечивается высокая монолитность и газонепроницаемость изделий. Однако и недостатков у этого метода немало. Основные из них: не все олигомеры и полимеры можно перевести в текучее состояние с вязкостью, достаточной для осуществления процесса пропитки; сам процесс сопровождается значительными технологическими потерями смолы и полимера; невозможно точно контролировать количество связующего, нанесенного на наполнитель, в том числе в различных частях получаемой заготовки изделия.

По «сухой» технологии сначала изготавливают полуфабрикат пропиткой наполнителя раствором связующего (лаком) с последующей его сушкой для удаления растворителя. Затем сухой полуфабрикат (препрег) перерабатывают в заготовку изделия, которую далее термообрабатывают при температуре, превышающей точку плавления связующего.

Основными недостатками «сухого» метода являются сложность полного удаления растворителя и препрега; невысокая плотность намотки. Оба недостатка приводят к снижению прочности и монолитности армированного пластика и изделий. Вместе с тем «сухой» метод обладает и существенными достоинствами. Это универсальность по используемым связующим, упрощение варьирования состава связующего, точное дозирование его нанесения на наполнитель, отделение процесса пропитки от производства изделия, возможность использования высокопроизводительных методов получения препрега, существенное улучшение санитарных условий производства.

Методы изготовления изделий из армированных пластиков весьма разнообразны по аппаратурно-технологическому оформлению и зависят от формы и размеров изделия, типа волокнистого наполнителя и связующего. Все методы формования изделий из армированных пластиков могут быть в самом общем виде разделены на открытые и закрытые.

34

Коткрытым относятся методы контактного формования, напыления, намотки, центробежного формования и ряд других, представляющих собой разновидности перечисленных. В этих методах используется одна формообразующая поверхность. Вследствие этого значительно затруднен контроль за получением заданного объемного содержания волокнистого наполнителя в композиции, так как толщина стенки изделия является функцией ряда параметров, к числу которых относится вязкость связующего, упругость волокнистого наполнителя, конструктивные особенности устройств, используемых для локального уплотнения наполнителя и др. Дополнительное уплотнение свободной поверхности изделий, формуемых открытым способом, позволяет повысить стабильность технологии и улучшить их качество.

Кзакрытым методам относятся прессование, инжекционное формование, протяжка. Вся поверхность изделия формуется в контакте с соответствующими элементами формы. Как правило, при закрытом формовании не требуется дополнительной обработки поверхности изделий и достигается значительно более высокая точность толщины стенок.

Вид и свойства армирующего наполнителя в значительной степени предопределяют выбор метода формования изделий. При формовании изделий из армированных пластиков волокнистый наполнитель, как правило, малоподвижен, а связующее обладает хорошей текучестью. Это требует внимательного подхода к выбору давления формования. При использовании связующих, не выделяющих летучие продукты на стадии отверждения, давление формования будет определяться только деформативными свойствами волокнистой заготовки, т. е. степенью ее уплотнения.

При использовании же связующих, отверждающихся по поликонденсационному механизму с выделением газообразных и жидких продуктов реакции, давление формования следует выбирать с учетом интенсивности этого явления на разных стадиях процесса во времени,

атакже с учетом возможного давления, возникающего в результате этих выделений в замкнутой форме или в форме, конструкция которой обеспечивает удаление только части летучих продуктов отверждения. Кроме того, конструкция формы должна обеспечить стабильность размеров изделия под действием давления продуктов реакции, выделившихся при нагреве, с тем, чтобы обеспечить формование изделий.

35

6.МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПЛАСТМАСС

6.1.Способы изготовления материалов и изделий из пластмасс

Изготовление полимерных материалов и изделий включает подготовку сырьевых компонентов, их дозирование, перемешивание, формование и стабилизацию.

Полимерные материалы и изделия изготавливают следующими способами: каландрированием, экструзией, литьем под давлением, термоформованием, свариванием, склеиванием, промазным способом.

Выбор метода в каждом конкретном случае определяется видом и свойствами изготавливаемого материала, составом композиции, свойствами входящего в неё полимера.

При вальцевании (каландрировании) изделие формуют в зазоре между вращающимися валками специальной машины-каландра. Подготовленная композиция подаётся в зазор между двумя верхними валками. Проходя последовательно через зазоры каландра, она освобождается от воздуха, окончательно уплотняется, пластифицируется и выходит в виде непрерывной ленты требуемого сечения. Каландрирование – один наиболее широко распространенных методов переработки термопластичных композиций. Им пользуются при изготовлении поливинилхлоридного и резинового линолеумов, поливинилхлоридных и кумароновых плиток для полов, полиэтиленовой и поливинилхлоридной пленок, листов из полиизобутилена и других полимерных материалов.

При экструзии изделиям придают определенный профиль, продавливая термопластичную полимерную композицию, находящуюся в вязкотекучем состоянии, сквозь формующую головку экструдера. Процесс изготовления изделий экструдером сводится к следующему. Полимерная композиция в виде гранул (чаще всего) непрерывной ленты или порошка через загрузочный бункер поступает в цилиндр экструдера, захватывается шнеком и продвигается к формующей головке. При прохождении вдоль цилиндра материал постепенно нагревается, гомогенизируется и переходит в вязкотекучее состояние. Затем он продавливается сквозь формующую головку, из которой выходит в виде изделия заданного профиля. Скорость выхода изделия колеблется от 0,5 до 15 м/мин. Методом экструзии изготавливают линолеумы, погонажные изделия, пленки, трубы, листовой винипласт; полипропилен и ударопрочный полистирол. Этим же методом можно осуществлять гранулирование полимерных композиций.

36

Литье под давлением – это процесс формования изделий из термопластичной полимерной композиции, доведенной до вязкотекучего состояния, инжекцией в форму. Порция расплавленной массы, получаемой в литьевых машинах, под давлением впрыскивается в форму, где охлаждается и быстро затвердевает. Процесс производства изделий автоматизирован. Методом литья под давлением изготавливают полистирольные плитки для облицовки стен, вентиляционные решетки, соединительные детали для труб, дверные ручки и некоторые другие изделия.

Термоформование пластмасс производят вакуумным и пневматическим методами. При вакуумном термоформовании изделия формуют на специальных вакуум-формовочных машинах или установках, которые в зависимости от вида применяемых форм могут работать по негативному или позитивному принципу. При негативном формовании листовую заготовку укладывают на форму, плотно прижимают по периметру и нагревают до пластического состояния. Через каналы в форме откачивают воздух, находящийся в её полости. Атмосферным давлением заготовка плотно прижимается к форме и приобретает её конфигурацию. После непродолжительной выдержки под вакуумом и охлаждения холодным воздухом готовое изделие вынимают из формы.

Впроцессе позитивного формования листовую заготовку зажимают в раме, расположенной над формой и также нагревают. Затем форма поднимается вверх, деформируя при этом заготовку. Воздух, оставшийся между заготовкой и формой, откачивают. Как и при негативном формовании, заготовка под влиянием атмосферного давления плотно прижимается к поверхности формы. После охлаждения изделия и отключения вакуума форму опускают вниз, а изделие вынимают из рамы.

Вотличие от вакуумного, при пневмотермоформовании размягченные заготовки превращаются в изделия с помощью сжатого воздуха.

Взависимости от свойств и толщины заготовки продолжительность изготовления изделия составляет 120–240 с. Этим методом пользуются при производстве ванн, умывальников, раковин, смывных бачков и других подобных изделий.

Прессованием изготавливают изделия на основе термореактивных полимеров. В зависимости от вида и свойств исходных композиций, получаемого материала или изделия, их прессуют в специальных горячих формах (пресс-формах) или непосредственно между обогреваемы-

37

ми плитами многоэтажного пресса. При заданных температуре и давлении прессуемый материал выдерживают в течение определенного времени, после чего охлаждают. Например, при формовании древеснослоистых пластиков на основе фенолоформальдегидного связующего оптимальная температура составляет 145–150 оС, давление 15–16 МПа, время выдержки 240–360 с на единицу давления. Этим способом получают слоистые пластики: древесный и бумажный, текстолит, стеклотекстолит, ДСП и ДВП.

Сварка и склеивание – это процесс образования прочного неразъемного соединения двух или нескольких заготовок термостата. Существует несколько способов сварки: горячим газом, нагретым инструментом, трением, токами высокой частоты и др. Сварку применяют для соединения термопластичных пластмасс, а склеивание – как для термопластичных, так и термореактивных пластмасс. Клеем для термопластичных масс может быть органический растворитель, который способствует набуханию концов деталей, которые сдавливаются, и происходит их слипание при давлении. Такими методами пользуются для соединения труб, соединительных деталей к ним, при укладке линолеума, различных емкостей и т. п.

Напыление – это способ нанесения на поверхность строительных изделий и конструкций порошкообразных полимеров, которые, расплавляясь, прилипают к ней, а при охлаждении образуют прочную пленку. Напыление создает декоративное, антикоррозийное покрытие.

Реже в производстве полимерных материалов применяют такие методы, как намотка, непрерывное формование, центробежное литье, автоклавное формование.

6.2. Материалы и изделия для полов

Среди различных видов материалов полимерные в наибольшей степени отвечают всем требованиям, предъявляемым к покрытиям полов. Они износостойки, красивы, гигиеничны и технологичны, затраты времени и труда на устройство пола из полимерных материалов значительно (в 5–10 раз) ниже, чем у традиционных материалов.

Для полов применяют рулонные, плиточные полимерные материалы, а также мастики для устройства бесшовных покрытий полов.

38

Рулонные материалы для полов – это разнообразные виды линолеумов. Впервые линолеум появился в конце XIX в. и представлял собой грубую ткань, покрытую слоем пластической массы на основе высыхающих растительных масел (льняного) и пробковой муки. Эти сырьевые материалы и дали название линолеуму (льняная ткань, масло). В настоящее время подобный линолеум, называемый алкидным или глифталевым, выпускают в ограниченном количестве.

В зависимости от вида применяемого полимера в линолеумах их различают:

–на поливинилхлоридные;

–глифталевые;

–коллоксилиновые;

–резиновые. По структуре:

–на безосновные;

–тканевой, войлочной или другой подоснове (однослойные и многослойные).

Они могут иметь поверхность:

–окрашенную в различные цвета;

–гладкую, с узором;

–блестящую;

–матовую;

–тисненую.

Поливинилхлоридный линолеум изготавливают тремя (каландровым, промазным, экструзионным) способами. Линолеумы без подосновы формуют каландровым и экструзионным способами. В многослойном линолеуме в состав массы для лицевого слоя обычно вводится в 2–3 раза больше полимера и соответственно меньше наполнителей, чем для нижних слоев. При производстве многослойного линолеума получают пленки различного наполнения к окраске, которые затем склеивают на специальных барабанных прессах, где развивается усилие до 0,3–1,5 МПа и температура достигает 170 оС.

При экструзионном способе линолеумная масса нагревается, пластифицируется и непрерывно выдавливается сквозь формующую головку экструдера.

39

Промазной метод используют в производстве линолеумов на подоснове. При этом методе линолеумную пасту наносят на движущуюся подоснову с последующей термообработкой в камерах с уплотнением на каландрах. В качестве подосновы наиболее часто применяют войлок, льняные, джутовые и другие волокнистые материалы.

ПВХ линолеум выпускают в виде полотнищ шириной 1200–2400 мм, толщиной до 2,1 мм и длиной не менее 12 м. Хранят его в рулонах в вертикальном положении при температуре не ниже 10 °С. Приклеивают линолеум к основанию холодной битумной и другими видами мастик.

Применяется ПВХ линолеум для настилки полов в жилых, общественных и производственных зданиях. Не рекомендуется использовать его в помещениях с повышенным влажностным режимом эксплуатации, а также в условиях воздействия абразивных материалов, жиров и масел.

Глифталевый (алкидный) представляет собой рулонный материал, верхним слоем которого является линолеумная паста, получаемая из фталевого ангидрида, глицерина и модифицирующих добавок, а нижним слоем – джутовая ткань. Изготавливают линолеум промазным способом. Для получения так называемого печатного линолеума на лицевую поверхность полотна перед подачей в термокамеру наносят одноцветный или многоцветный рисунок из масляных красок или лаков.

Выпускают линолеум в виде полос длиной 15–30 м, шириной 2000 мм, толщиной 2,5; 3; 4 и 5 мм. Применяют для покрытия полов в помещениях жилых, общественных и производственных зданий, не подвергаемых воздействию абразивных материалов, кислот, щелочей и растворителей. Крепят линолеум к основанию битумной, битумно-каучуковой мастиками, клеем бустилат. Основной недостаток глифталевого линолеума – повышенная хрупкость, особенно при отрицательных температурах.

Коллоксилиновый линолеум производят однослойным без подосновы из коллоксилина, пластификаторов, наполнителей и пигментов, стабилизаторов и обязательно антипиренов, так как линолеум обладает повышенной возгораемостью. Этот вид линолеума имеет характерный красный или коричневый цвет и обладает высокой гибкостью даже при отрицательных температурах. Его выпускают в рулонах длиной не менее 12 м, шириной 1000–1200 мм и толщиной 2 мм. Коллоксилиновый

40